JP4440704B2 - 導波路型光センサ - Google Patents

Description

本発明は、人体表面に貼り付け、また物体の表面に密着させるなどの簡便な方法により、生体物質や環境物質を検出し、人体の健康状態や人体を取り巻く環境状態を常時モニタすることが可能な導波路型光センサに関するものである。

健康状態の維持を目的とし、人間の体調を常時モニターし、あるいは病状をチェックするため、人体に影響のある環境物質を検出するセンサが盛んに開発されている。一例として、光と物質が相互作用することでスペクトルに生じる物質特有の吸収を観測することで、物質の種類や量を計測（定性、定量）する光センサがある。特に、近赤外光を利用したセンサでは、血液などの体液を直接採取することなく、非浸襲（針等で体液を採取しない）計測が可能であり、被験者あるいは患者の負担を減らすことができるため、開発が急がれている。

光を用いた代表的な生体状態計測センサの例としては、血中の酸素濃度を計測するパルスオキシメータがある。これは、近赤外光を皮膚に照射し、透過してくる特定波長の光の吸収率の変化から、血液中の酸素濃度を同定するものである。また、皮膚表面に光ファイバやレンズを通して赤外光を照射し、皮膚直下の生体組織内で散乱される光を取り込んで分光し、幾つかの特定波長の光の強度変化データを用い、統計的手法を用いて解析して血液中の糖分濃度を同定するセンサが開発されている（非特許文献１参照）。

さらに、皮膚に密着させた単結晶や薄膜中に光を伝搬させ、体内の物質量を同定しようとするセンサの開発が進められている。これは、単結晶や薄膜を皮膚表面に密着させることによって、単結晶や薄膜中より皮膚の側にしみだした光（エバネッセント光）が、皮膚表面の物質によって一部が吸収される現象を利用したものである。

単結晶や薄膜を通過し、物質と相互作用してきた光を取り出して分光することにより、皮膚表面で光を吸収した物質を検出することができる。この方法は、ＡＴＲ（Attenuated Total Reflecton）法と呼ばれている。ＡＴＲ方法を用いれば、透過光を利用する場合の光学系は不要であり、散乱される光を取り込む光学系も不要になるため、構成が単純になる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
「光学的決闘測定システムを応用した体内埋め込み型インスリン注入システム」中間評価報告書、新エネルギー・産業技術総合開発機構 技術評価委員会、「光学的決闘測定システムを応用した体内埋め込み型インスリン注入システム」中間評価平成１４年８月

上述したように、光を利用して非浸襲の形態のセンサを、体に装着して体内情報を取得する方式は、装着する者に苦痛を与えず、常時計測するための有力な手段である。しかし、現在の体表から得られる情報を利用するセンサには次のような問題がある。
皮膚を透過する光を利用しようとした場合、皮膚を透過する波長帯域が狭いため、この波長帯域に吸収の現象がある物質でないと、計測できないという問題がある。また、透過した光を計測するため、入射光と透過光を計測する光学系が必要であり、装置自体が大きくなるため、常時装着することが難しいという問題がある。

皮膚表面に接触させた単結晶中に光を入射し、多重反射する光が表面近傍で物質と相互作用してスペクトルが変化し、これを計測するセンサにおいては、光を通し、物質と十分に相互作用しノイズの少ない信号を得るためには、光と物質が相互作用する距離を長くする必要がある。このため、これらのセンサでは、感度を上げようとすると光を多重反射させて信号を得るための単結晶が大きくなり、大きくなると光が拡散して弱くなることと、一定以上大きくすることはできないため、感度増加は望むことができないという問題がある。従って、単結晶あるいは薄膜において感度を上げようとすると、サイズが大きくなり、常時携帯するセンサを実現するのは困難である。

さらに、単結晶や薄膜に効率的に光を導入するための光学系を別途組み上げなければならないため、装置が大きくなるという課題がある。
単結晶や薄膜に代わって、光を導波する導波路にして光路を折りたたむことで、導波距離を増やす方法も考えられるが、現在一般的に近赤外域で使用されている石英材の場合、導波路を曲げる半径が数ｃｍと大きいため、小さな領域に長い導波路を詰め込むことはできないため、センサの感度を上げることは困難であるという問題があった。

また、一般的に近赤外域で物質を同定するためには、１つ以上複数の波長の光の強度増減をモニタする必要があるため、スペクトルを分光して計測する必要があるが、通常使用されている分光器は可動機構を必要とするため、据え置き型が主であり、精密機械であり、振動に弱いことと、サイズ、重量が大きく、携帯することは困難であるという問題があった。

また、ＭＥＭＳ技術を応用し、石英を用いた分光器が開発されつつあるが（「マイクロマシン技術による超小型分光器の開発とその応用」（分光研究第５１巻第１号（２００２））、石英で導波路を作製しても、導波路を急峻に曲げることができないため、一定以上分光器を小さくすることが難しいという問題があった。

従って、現在用いられている、あるいは開発が進められている近赤外光を利用した光センサは、大きなセンサヘッドと大きな分光器にならざるを得ず、人が無意識に装着し、携帯するようなセンサにはなっていない。このため、小さくかつ高感度なセンサヘッドと、小さく可動部を持たない分光器を搭載したセンサ開発が望まれている。例えば、近赤外光を利用したセンサは、波長が異なれば違う物質を検出できる潜在能力を有するため、小型で多種の物質を検出できるセンサの登場が期待されている。

また、単結晶や分光器、及びレンズを必要とする光センサは部品が高価で、高精度な組み上げを必要とするなど量産には向いていないため、大きいと同時に高価であるという問題があった。
個人が生体情報を常時計測するためには、個人が使用できる低価格なセンサが必要であり、現状開発されているセンサはこれらの要件を満たしていない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、生体情報などを常時分析することが可能な小型のセンサを、より安価に提供できるようにすることを目的とする。

本発明に係る導波路型光センサは、基板の上に形成された下部クラッド層と、この下部クラッド層の上に形成されて少なくとも一部の面が検出領域で露出したコアと、このコアから構成された導波路の光入射端と、導波路の光出射端と、下部クラッド層の上に形成されて光入射端に光源光を入射する光源と、下部クラッド層の上に形成されて光出射端より出射された光を分光するスラブ型分光部と、このスラブ型分光部により分光された光を検出する光検出手段とを少なくとも備え、検出領域で、コアは導波方向を変更して往復して配置され、スラブ型分光部は、コアの一部で構成され、検出領域でコアの露出した面に分析対象物が接触するようにしたものである。
このように、導波方向を変更して往復するコアから検出領域を構成し、前記コアの一部でスラブ型分光部を構成したので、より小さな検出領域に、より長いコアが配置されるようになる。

上記光導波路型センサにおいて、コアの露出した面に接触して配置された機能膜を備え、機能膜は、特定物質を選択的に吸着するように構成してもよい。
また、上記光導波路型センサにおいて、コアは、シリコンから構成されたものである。
また、上記光導波路型センサにおいて、光源の動作及び光検出手段の動作の少なくとも１つを制御する制御回路を備えるようにしてもよく、基板の裏面に配置されて光源及び制御回路に電源を供給する電池を備えるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明では、導波方向を変更して往復するコアから検出領域を構成し、前記コアの一部でスラブ型分光部を構成したので、より小さな検出領域により長いコアを配置するようにした。従って、本発明によれば、より小さな検出領域でより高い感度を得ることが可能となるなど、生体情報などを常時分析することが可能な小型のセンサを、より安価に提供できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における導波路型光センサの構成例を示す平面図である。また、図２は、図１に示す導波路型光センサの一部を模式的に示す断面図（ａ），斜視図（ｂ）である。本導波路型光センサは、例えばシリコンから構成された基板１０１の上に、酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２を備え、下部クラッド層１０２の上に、シリコンからなるコア１０３及びコア層１０４を備えている。

コア１０３の一部領域で、検出領域１２１が構成され、コア層１０４の一部でスラブ型分光部１０８，光検出部１１１が構成されている。スラブ型分光部１０８は、コア１０３の一部から構成され、接続コア部１０３ｂにより検出領域１２１のコア１０３に接続し、検出領域１２１から連続している。スラブ型分光部１０８では、ローランド円１１０に沿って形成された溝部１０９ａの側部に、グレーティング１０９が形成されている。グレーティング１０９を反射した光は、光検出部１１１を構成している光検出部コア１１２に導かれ、光検出部コア１１２に導かれた光は、光検出素子１１３に検出される。

また、コア層１０４の他の一部領域に制御回路１１４，無線送受信部１１５が設けられている。制御回路１１４は、例えば、光源１０５の光出力を制御し、また、光検出素子１１３が検出した光信号に対応する電気信号を増幅するなどの、電気信号の処理を行う。制御回路１１４により処理された信号は、無線送受信部１１５により送信される。また、無線送受信部１１５で受信された制御信号により、制御回路１１４は制御動作や信号処理を行う。

例えば、公知のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を利用し、埋め込み絶縁層の上の単結晶シリコン層を加工することで、単結晶シリコン層よりコア１０３，コア層１０４が形成できる。この場合、埋め込み絶縁層が下部クラッド層１０２となる。また、コア層１０４に、公知の半導体装置の製造工程により集積回路を製造することで、制御回路１１４が形成できる。なお、コア１０３は、シリコンの他に、ＧａＡｓ系化合物、ＩｎＰ系化合物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の化合物半導体や強誘電体、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ等の化合物を使用することができる。

検出領域１２１を構成しているコア１０３の一端には、スポットサイズ変換部１０６を介して光源１０５が接続されている。光源１０５は、例えば、半導体レーザや発光ダイオードなどの発光素子から構成することができる。スポットサイズ変換部１０６は、コア１０３の一端が先細りとなっているテーパコア部１０３ａと、テーパコア部１０３ａを覆う変換部クラッド１０７とから構成されている。スポットサイズ変換部１０６を設けることで、光源１０５とコア１０３とを、効率よく光結合できる。

コア１０３及び接続コア部１０３ｂは、コア層１０４にコアとなる部分を挾むように溝を形成することで形成できる。図１において、グレーで示す領域は、下部クラッド層１０２が露出するようにコア層１０４に溝が形成されている領域である。
コア１０３は、図２（ａ）に示すように、断面の形状が、幅０．４μｍ，高さ０．２μｍの長方形である。コア１０３は、これより構成される導波路が、シングルモードとなる寸法に形成されていればよい。

図３は、シリコンからなるコア１０３より構成された導波路の曲げ半径に対する損失の割合を示す特性図である。シリコン（単結晶シリコン）は屈折率が３．５程度と非常に高く、光を強く閉じこめることができる。この結果、図３に示すように、半径２０μｍ以下で急峻に曲げても、もれることなく少ない損失で光を伝搬させることが可能となる。従って、図１の平面図に示すように、コア１０３を、非常に小さい曲率で導波方向を変更して狭い間隔で往復させて配置させることが可能となる。

図１，２に示す導波路型光センサにおいて、コア１０３よりなる導波路に光（分析光）を導波させた状態で、検出領域１２１で露出するコア１０３の上面に分析対象の試料が接触していると、コア１０３よりしみ出した光が試料の特性に応じて吸収され、この吸収の強さに応じて導波する光の強度が低下する。従って、例えば、コア１０３から構成されている導波路を導波する分析光の強度をある波長帯域に対して測定すれば、分析対象の試料による吸収スペクトルが得られる。

また、前述したように、シリコンを利用することで、コア１０３を、非常に小さい曲率で導波方向を変更して狭い間隔で往復させて配置させることが可能となり、数ｃｍにわたる長さの導波路を数ｍｍ角の領域に収容できるため、狭い検出領域１２１内で、試料と接触する領域をより長くすることが可能となる。この結果、導波路の表面に存在する物質としみ出した光とが相互作用する距離が長くなるため、超小型化を実現した状態でセンサとしての感度を向上させることができる。

前述したように、図１に示す導波路型光センサでは、検出領域１２１において、コア１０３の近傍に糖類，アミノ酸類などの生体物質が吸着すると、これらの物質の分析が可能となる。吸着した分析対象の物質は、コア１０３のクラッドとなり、分析対象物質が吸着することにより、屈折率の差が空気の場合より大きくなる。

この結果、図４に模式的に示すように、コア１０３を伝搬する光４０１のうちの一部４０２は、分析対象物質からなるクラッドの側に漏れ出て物質と相互作用し、特定波長に吸収を受ける。吸収を受けた結果の波長変化を、検出領域１２１の先でスラブ型分光部１０８を通して分光し、光検出部１１１によりモニタすることにより、検出領域１２１に存在する物質を計測することができる。また、検出領域１２１のコア１０３を通過した分析光が、隣接配置されているスラブ型分光部１０８で分光されるので、接続コア部１０３ｂを短くでき、光信号の減衰が抑制された状態で分光することが可能となり、感度の低下が抑制できる。

検出領域１２１のコア１０３に生体物質などの分析対象物質を吸着させるためには、例えば、対象物質を含む物体に検出領域１２１が接触した状態とするだけで十分である。図４は、検出領域１２１に尿素膜を接触させた場合の、導波している光の分布状態を示したものである。図４に示すように、シリコンからなるコア１０３からは、数１０ｎｍの範囲で光が漏れるため、検出対象の物質の量がわずかであっても、漏れだした光との相互作用が長い距離にわたって得られるので、感度良く分析することができる。

図１に示すセンサの検出領域１２１に尿素を吸着させ、スペクトルを計測した結果を図５に示す。この事例では、２ｍｍ×３ｍｍとした検出領域１２１に、長さを６．７ｍｍ，９．３ｍｍ，１７．２ｍｍとしたコア１０３を収めた３種類のセンサを用い、各々検出領域１２１に吸着した尿素のスペクトルを計測した。コア１０３が長い場合ほど、スペクトルのピークが顕著に表れている。

シリコンコアからなる導波路は、波長１．２〜１．４μｍの光を導波するため、図１に示す導波路型光センサによれば、波長１．２〜１．４μｍの波長域に吸収を有する物質の分析が可能である。例えば、アルブミンなどのアミノ酸、グルコースなどの糖類、尿素などの窒素化合物、二酸化炭素、窒素酸化物、コレステロールなどの脂肪類が、図１に示す導波路型光センサにより分析可能である。

また、図１に示す導波路型光センサによれば、検出領域１２１，スラブ型分光部１０８，光検出部１１１、制御回路１１４、無線送受信部１１５、さらには、これらに電源を供給する図示しない電源部を基板１０１の裏面に設け、これらを一体としたので、小型化が非常に容易である。検出領域１２１，スラブ型分光部１０８，光検出部１１１、制御回路１１４は、公知のシリコン加工技術により同一の製造過程で形成可能であり、光源１０５や電源部は、装着することで一体化することが容易である。電源部としては、公知のポリマー電池などの小型電池を用いればよい。

図１に示す導波路型光センサによれば、検出領域１２１などの超小型化により、消費電力の低減も可能であり、制御回路１１４などの電気回路、電源を小さくすることが可能となるため、一体化することが可能となる。また、微弱無線素子などの無線送受信部１１５を同一プロセスで形成すれば、いつでもどこでも存在するだけで、検出物質のモニタをするシステムを組むことができる。これにより、移動する人や物体での物質を常にモニタすることが可能となる。また、基板として、ＧａＡｓ系化合物やＩｎＰ系化合物、ＺｎＯ等の化合物半導体を使用することで、光源も半導体加工プロセスで形成できるため、製造プロセスをさらに簡便化することができる。

ところで、図１に示す導波路型光センサでは、スラブ型分光部１０８の構造をローランド円配置としたが、これに限るものではなく、他に様々な方式があり、導波路構造を利用した分光器構造であれば、検出領域１２１と結合が容易であり、同様に使用できることは明らかである。図６は、取り込み幅の設計値を２０μｍとしたスラブ型分光部１０８の分光特性を示す特性図である。図６から判るように、スラブ型分光部１０８によれば、設計値２０ｎｍに対し、１９．７ｎｍと高精度に分光が可能である。

次に、本発明の実施の形態における他の導波路型光センサの構成例について、図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態における導波路型光センサの一部構成例を示す模式的な断面図である。このセンサは、下部クラッド層１０２の上に、コア１０３を覆う状態に機能膜７０１を設けるようにしたものである。機能膜７０１は、例えば図１に示す検出領域１２１に設けられていればよい。なお、本導波路型光センサの図７に示されていない他の構成は、図１，２に示す導波路型光センサと同様である。

図７に示すセンサによれば、分析対象となる物質７０２が機能膜７０１に濃縮されるので、物質７０２の選択的な分析が可能となる。例えば、機能膜７０１が物質７０２のみを選択的に取り込んで濃縮する膜である場合、他の物質の吸収によるノイズを低減させる、ことができる。従って、同一の波長をモニタするようにしても、特定の物質の量（濃度）を計測することが可能となる。

機能膜７０１としては、特定抗体を吸着する抗原反応膜、特定タンパク質を吸着する酵素反応膜、特定ウイルスを捕獲する物質膜、特定ＤＮＡを吸着する膜などがある。これらの膜を膜厚数１０ｎｍに形成することで、窒素結合（Ｎ−Ｈ，Ｎ−Ｏ、Ｎ−Ｃ）に起因する波長の光をモニタするだけで、物質を検出することができる。このように、図１のセンサにおける検出領域１２１に機能膜を付与することで、高感度化と検出物質の多様化が容易にできることは明らかである。

本発明の実施の形態における導波路型光センサの構成例を示す平面図である。 図１に示す導波路型光センサの一部を模式的に示す断面図（ａ），斜視図（ｂ）である。 シリコンからなるコア１０３より構成された導波路の曲げ半径に対する損失の割合を示す特性図である。 検出領域１２１に尿素膜を接触させた場合の、導波している光の分布状態を示したものである。 図１に示すセンサの検出領域１２１に尿素を吸着させ、スペクトルを計測した結果を示す説明図である。 取り込み幅の設計値を２０μｍとしたスラブ型分光部１０８の分光特性を示す特性図である。 本実施の形態における導波路型光センサの一部構成例を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア、１０３ａ…テーパコア部、１０３ｂ…接続コア部、１０４…コア層、１０５…光源、１０６…スポットサイズ変換部、１０７…変換部クラッド、１０８…スラブ型分光部、１０９…グレーティング、１０９ａ…溝部、１１０…ローランド円、１１１…光検出部、１１２…光検出部コア、１１３…光検出素子、１１４…制御回路、１１５…無線送受信部、１２１…検出領域。

Claims (4)

1. 基板の上に形成された下部クラッド層と、
   この下部クラッド層の上に形成されて少なくとも一部の面が検出領域で露出したコアと、
   このコアから構成された導波路の光入射端と、
   前記導波路の光出射端と、
   前記下部クラッド層の上に形成されて前記光入射端に光源光を入射する光源と、
   前記下部クラッド層の上に形成されて前記光出射端より出射された光を分光するスラブ型分光部と、
   このスラブ型分光部により分光された光を検出する光検出手段と
   を少なくとも備え、
   前記コアはシリコンから構成され、
   前記検出領域で、前記コアは導波方向を変更して往復して配置され、
   前記スラブ型分光部は、前記コアの一部で構成され、
   前記検出領域で前記コアの露出した面に分析対象物が接触する
   ことを特徴とする光導波路型センサ。
2. 請求項１記載の光導波路型センサにおいて、
   前記コアの露出した面に接触して配置された機能膜を備え、
   前記機能膜は、特定物質を選択的に吸着する
   ことを特徴とする光導波路型センサ。
3. 請求項１または２記載の光導波路型センサにおいて、
   前記光源の動作及び前記光検出手段の動作の少なくとも１つを制御する制御回路を備える
   ことを特徴とする光導波路型センサ。
4. 請求項３記載の光導波路型センサにおいて、
   前記基板の裏面に配置されて前記光源及び前記制御回路に電源を供給する電池を備える
   ことを特徴とする光導波路型センサ。

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